新型天線設(shè)計-等離子天線技術(shù)簡析

等離子體天線因?yàn)榈入x子體獨(dú)特的物理性質(zhì)，在解決天線隱身和互耦方面有難以估量的發(fā)展?jié)摿Γ钱?dāng)今天線技術(shù)的一大進(jìn)步。世界上不少大公司都在研究和開發(fā)等離子體天線。在跟蹤和分析等離子體技術(shù)發(fā)展動態(tài)的基礎(chǔ)上，根據(jù)搜集到的信息和技術(shù)文獻(xiàn)，綜述了國內(nèi)外等離子體天線技術(shù)的發(fā)展概況，并介紹了國外一些有代表性的等離子體天線專利技術(shù)。

1 引 言

等離子體是宇宙空間中普遍存在的一種物質(zhì)形態(tài)，是與物質(zhì)的氣態(tài)、液態(tài)、和固態(tài)三態(tài)并存的第四態(tài)（或稱等離子體態(tài)），其尺寸大小大于電偶極矩的單位長度。實(shí)際上，等離子體是由大量的正離子與自由電子組成的集合體，宏觀上近似呈電中性，且電離離子密度頗高，其運(yùn)動主要受電磁力強(qiáng)弱的支配，并呈現(xiàn)出顯著的群體行為。在普通的氣體中，即使僅有0.1％的氣體被電離，這種被電離的氣體已具有頗佳的等離子體特性，假若有l(wèi)％的氣體被電離，這樣的等離子體便成了電導(dǎo)率很高的理想導(dǎo)電體。

等離子體對電磁波的傳播有著較大的影響。在一定的條件下，等離子體能反射電磁波；在另一種條件下，它又能吸收電磁波。當(dāng)存在磁場時，等離子體中沿磁場方向傳播的電磁波極化方向會產(chǎn)生法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)，從而使雷達(dá)接收到的回波極化方向與反射時不一致，造成極化失真。等離子體天線就是利用等離子體對一定頻率的電磁波呈現(xiàn)良導(dǎo)體特性而制成的。

等離子體隱身技術(shù)是指利用等離子體干擾敵方雷達(dá)探測的一種技術(shù)，它是實(shí)現(xiàn)雷達(dá)隱身的一種新途徑，是雷達(dá)隱身技術(shù)的最新發(fā)展。該技術(shù)利用等離子體發(fā)生器或放射性同位素，以某種方式提供能量，產(chǎn)生出放電、激活及電離氣體的介質(zhì)，形成能吸收雷達(dá)電磁波或紅外輻射能量的等離子體屏蔽層。經(jīng)過合理的設(shè)計，等離子體的特征參數(shù)（例如能量、電離度、振蕩頻率及碰撞頻率等）可滿足特定的需求，使照射至等離子體層上的雷達(dá)波一部分被吸收，另一部分的傳播方向被改變，從而使返回雷達(dá)接收機(jī)的能量很少，回波大為減弱，以達(dá)到隱身的目的。等離子體隱身技術(shù)使用簡便，隱身效果佳，無需采用吸波材料，更無需改變需隱身裝備的結(jié)構(gòu)形狀，因而可降低制造成本和維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。

產(chǎn)生等離子體的方法迄今有多種，如熱致電離、氣體放電、高能粒子轟擊及激光照射等。軍事上，核爆炸、放射性同位素的射線、高空超音速飛行器的激波、燃料中摻入銫、鉀及鈉等易電離成分的火箭及噴氣式飛機(jī)的射流，皆可形成弱電離的等離子體。等離子體天線中的等離子體通常通過以下方法得到：一種方法是在氣體柱兩端加電極使氣體電離產(chǎn)生等離子體，例如澳大利亞國立大學(xué)研制的電壓驅(qū)動熒光棒式等離子體天線；另一種方法就是強(qiáng)激光束照射氣體使氣體電離產(chǎn)生等離子體；還有一種方法是通過在氣體柱的一端加上射頻等離子體表面波激勵氣體柱產(chǎn)生等離子體［1］。

要使等離子體對雷達(dá)電磁波有足夠的吸收，或者要制作等離子體隱身天線，產(chǎn)生的等離子體必須要有足夠大的密度、體積（或厚度），還要等離子體有足夠的持續(xù)時間和均勻性?？紤]到這些要求，以下幾種產(chǎn)生等離子體的方法是最有潛力的：介質(zhì)阻擋放電和沿面放電；電弧放電；紫外輻射；放射性同位素照射［2］。

2 等離子體天線技術(shù)概述

等離子體天線是一種與傳統(tǒng)天線結(jié)構(gòu)有較大差異的低雷達(dá)截面天線。它利用等離子體的可開關(guān)特性實(shí)現(xiàn)天線的輻射與隱身狀態(tài)的切換；利用等離子體的磁場和激勵電極的可控性來實(shí)現(xiàn)天線掃描；根據(jù)實(shí)際需要選擇等離子體的完全屏蔽、部分傳輸和完全傳輸?shù)葼顟B(tài)，并利用其旋電、反射、吸收等特性實(shí)現(xiàn)天線雷達(dá)截面的減縮控制。

利用等離子體的導(dǎo)電性能以及反射和吸收電磁波的能力，可以通過三種不同方式實(shí)現(xiàn)天線的隱身設(shè)計［5］：

1）利用等離子體的導(dǎo)電性能

這種等離子體天線，以充有稀薄易電離氣體的玻璃管作為天線的振子單元，在氣體被電離時用作天線，不工作時，相當(dāng)于普通的玻璃管，其雷達(dá)反射面積極小，這對于需要進(jìn)行隱身設(shè)計的飛機(jī)和艦船有重要意義。美國和澳大利亞先后設(shè)計出了這種等離子體天線。

2）利用等離子體的反射電磁波特征

部分反射面天線可以設(shè)計成等離子體天線，這是利用了等離子體反射電磁波的能力。為降低功耗和輻射干擾，這種等離子體也須工作在低氣壓下。降低工作氣壓，降低等離子體的碰撞頻率，提高電離度，可提高電子密度，從而提高適用頻率。但是，在這種氣體放電模式下，電子密度一般達(dá)不到1020／m3，因此這種方式的天線的上限頻率約為10GHz，在使用上存在局限性。

3）利用等離子體的吸收電磁波特征

使用等離子體作為飛機(jī)雷達(dá)天線的屏障，可對天線進(jìn)行很好的隱身。這主要利用等離子體對電磁波的吸收特性。這種等離子體屏障具有很寬的電磁波吸收帶寬。雷達(dá)工作時，等離子體屏障必須處于關(guān)閉狀態(tài)。但實(shí)際上，機(jī)載雷達(dá)發(fā)射和接收電磁波的時間非常短，工作時間也有限，而等離子體屏障的開關(guān)速度可以非常高，因此只要在雷達(dá)發(fā)射和接收電磁波的時刻將等離子體屏障關(guān)閉，其他時間打開，再結(jié)合飛機(jī)的戰(zhàn)術(shù)使用，便可以極大地提高飛機(jī)的隱身效果。對于偵察預(yù)警雷達(dá)，等離子體屏障相當(dāng)于飛機(jī)表面的吸波材料，可將機(jī)載雷達(dá)天線屏蔽起來，隱身效果很好。這種方式不但工作氣壓可以很低，功率較小，而且還可以通過控制放電強(qiáng)度來靈活地調(diào)整隱身適用頻率。

傳統(tǒng)的天線設(shè)計大多使用一定尺寸的金屬傳導(dǎo)面在所選用的頻率上輻射電磁波，而等離子體天線則選用電離氣體作為振子輻射電磁波。當(dāng)氣體電離形成等離子體狀態(tài)后就像導(dǎo)體一樣可以導(dǎo)電，從而起到發(fā)射和接收無線電信號的天線作用。當(dāng)除去電離狀態(tài)以后，它既不對敵方探測雷達(dá)產(chǎn)生后向散射波，也不會吸收可降低電子對抗效能的高功率微波輻射，具有良好的隱形特性。

相對于傳統(tǒng)的金屬天線，等離子體天線具有許多不同于金屬天線的優(yōu)點(diǎn)：首先，它具有較低的雷達(dá)截面，使天線隱形成為可能。其次不需要改變天線的物理結(jié)構(gòu)，通過改變等離子體的氣體成分和電子濃度等物理參數(shù)就可以對天線的頻率、帶寬和方向性等參數(shù)進(jìn)行動態(tài)重構(gòu)［3］ ［4］，根據(jù)需要，還可以設(shè)計出等離子體天線陣，重量和體積都相對較小。

等離子體天線的基本組成是等離子體反射器及固定饋源。其工作機(jī)理與常規(guī)的金屬天線類似。發(fā)射時從饋源來的無線電信號照射到等離子體上，并從等離子體薄層上反射出去。接收時無線電信號的傳輸路徑則相反。構(gòu)成等離子體反射器的等離子體薄層由低壓容器中兩個電極間的氣體放電產(chǎn)生。在低壓容器中，陰極與陽極分置于上、下方，陰極發(fā)射的高能電子使低壓容器內(nèi)的氣體電離，并借助磁場對等離子體薄層層厚進(jìn)行有效控制。設(shè)計時根據(jù)工作頻率算出所需的電子密度。電子密度與頻率的平方成正比，工作頻率愈高，所需的等離子體電子密度也愈高。

另外，隨著微波技術(shù)的發(fā)展，給天線系統(tǒng)的設(shè)計帶來了很多新問題，為了得到高功率脈沖源和更寬的工作頻帶（10MHz10GHz），天線輻射元件的尺寸和重量越來越大。天線輻射出的脈沖信號的功率主要由天線的輸入電壓決定，有時輸入電壓需要達(dá)到幾兆伏，這樣很容易直接導(dǎo)致天線和饋線燒毀，而且輸出功率達(dá)到10MW的電源移動性能也較差。如果采用高壓脈沖等離子體天線，其體積和重量都不大，移動性能好，在尺寸和重量上很容易滿足要求，而且避免了高壓燒毀饋線和天線的情況。高壓脈沖等離子體天線的工作原理就是把爆炸產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為電磁能量。這種發(fā)生器產(chǎn)生的電壓超過30KV，體積約為0.5m3，重量約300g。

等離子體天線主要包括氣體等離子體天線、固體等離子體天線和液體等離子體天線。典型的氣體等離子體天線如美國Markland技術(shù)公司研制的氣體等離子體天線［6］。有關(guān)固體等離子體天線的文章有光控固體等離子體漏波天線和固體等離子體天線［7］ ［8］。2004年IEEE天線與傳播年會論文集中收錄了一篇關(guān)于液體等離子體天線的極化頻率的文章［9］。

從另一角度來看，等離子體天線又可分為等離子體電介質(zhì)天線、等離子體喇叭天線和等離子體鏡天線。前兩者為有源輻射器，后者為無源反射器［10］。

3 美國等離子體天線的研制概況

美國在等離子體天線實(shí)用方面較早的研究工作出現(xiàn)于1990年。美國海軍實(shí)驗(yàn)室（NRL）從1990年至今已開展了長達(dá)15年的系統(tǒng)研究工作，主要研究對象是X波段的艦載天線、94GHz的機(jī)載天線和60GHz的空基天線，其主要思想是用等離子體板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的導(dǎo)體反射面，用磁場和電極控制天線的掃描射束方向［11］。

美國Tennessee大學(xué)自二十世紀(jì)九十年代中期以來，先后在美國空軍科學(xué)研究局（AFOSR）和海軍研究局（ONR）的資助下，開展了隱身等離子體天線的研究工作，主要包括等離子體輻射窗天線、低雷達(dá)截面的振子天線及其陣列的理論和相關(guān)的可行性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究。其機(jī)理是將等離子體放電管用作天線元件，當(dāng)放電管通電時便變成導(dǎo)體，可發(fā)射和接收無線電信號；當(dāng)斷電時便成為絕緣體，基本不發(fā)射信號。

1998年，美國海軍委托Tennessee大學(xué)成功的開發(fā)出了等離子體研制成一種采用U形放電管的等離子體天線，U形放電管中充滿電離的惰性氣體，如圖1所示。天線工作時，電極通過氣體放電將其中氣體電離，形成等離子體。由于等離子體中含有大量的自由電子，因此可以發(fā)揮普通金屬天線類似的作用，也就是說，當(dāng)無線電信號通過金屬電極進(jìn)入管中后，可以通過促使等離子體中的自由電子振蕩而產(chǎn)生電磁波，即可向外發(fā)送無線電信號，同樣它也可以用來接收無線電信號。而不用或需要隱蔽時，只要將天線基部的金屬電極關(guān)閉，其中的惰性氣體馬上恢復(fù)到正常狀態(tài)而成為絕緣體，此時天線即成為普通介質(zhì)材料，敵方雷達(dá)難以發(fā)現(xiàn)。最新實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該天線在100MHz1GHz內(nèi)與同一配置的金屬天線效果大致相同，兩者發(fā)射和接收的噪聲電平相當(dāng)。

美國海軍最近還透露其正在研究一種可裝在潛望鏡上、并能快速裝拆的小型等離子體天線，可將其用于接收145GHz頻率范圍的無線電信號。

近幾年，美國馬克蘭德技術(shù)公司（Markland）正在研究氣體等離子體天線技術(shù)，它由美國三軍共同提供資金支持，由公司頂級等離子體物理學(xué)家小組領(lǐng)導(dǎo)實(shí)施。圖2和圖3為該公司研制的部分等離子體天線。據(jù)報道，已取得了一系列重要成果。研究成果已經(jīng)表明，等離子體天線與傳統(tǒng)的金屬天線相比，具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，主要包括：

1）隱身性：當(dāng)除去電離狀態(tài)后，等離子體天線將不會產(chǎn)生后向散射雷達(dá)波，也不會吸收可降低電子對抗效能的高功率微波輻射；

2）適應(yīng)于多種信號：等離子體天線具有可動態(tài)重構(gòu)的特性，如帶寬、頻率、增益和指向性；

3）便于遠(yuǎn)程布置：等離子體天線比常規(guī)天線設(shè)計更輕、體積更??；

4）效率更高：等離子體天線可極大降低沖擊激勵效應(yīng)，從而提高短脈沖雷達(dá)的性能。

20世紀(jì)90年代初，美國休斯實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了一項(xiàng)為期兩年、投資65萬美元的實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)表明，采用等離子體技術(shù)，可使一個長13cm的微波反射器的雷達(dá)截面積在4～14GHz頻率范圍內(nèi)平均降低20dB，即雷達(dá)獲取回波的信號強(qiáng)度減弱至原有的1％。美國海軍科學(xué)家目前還在利用離子化的等離子體研制一種對武器設(shè)計及軍事戰(zhàn)術(shù)皆頗具挑戰(zhàn)性的雷達(dá)系統(tǒng)。美國海軍研究所正在實(shí)施一項(xiàng)稱為“捷變鏡”（Agile Mirror）的研究計劃，該計劃旨在研制一種新型艦載與機(jī)載雷達(dá)，能以比現(xiàn)有雷達(dá)快得多的速度跟蹤來襲導(dǎo)彈，并使艦船和飛機(jī)更為隱身。

“捷變鏡”雷達(dá)在連續(xù)監(jiān)視的同時，可跟蹤多個目標(biāo)。因其能在lns（10-9s）內(nèi)重新定向，而常規(guī)雷達(dá)通常需1～10s，故該雷達(dá)可以做得很小、很輕便，而產(chǎn)生的功率卻很大?！敖葑冪R”可瞬時對目標(biāo)進(jìn)行捕獲與跟蹤，從而極大地改善艦艇和戰(zhàn)機(jī)的生存能力。

等離子體屬于一種氣體，可將其視為幾乎無重量。等離子體分子結(jié)構(gòu)內(nèi)又有足夠的自由電子，因而它屬于一種高溫電離化超導(dǎo)氣體?！敖葑冪R”中使用的等離子體的超導(dǎo)特性尤為適用于雷達(dá)微波的反射，可像鏡子一樣反射雷達(dá)電磁波。此外還可在1ns內(nèi)改變其結(jié)構(gòu)，使鏡面向一個方向傳送雷達(dá)波束。這表明理論上能在1s內(nèi)同時朝10億個不同的方向發(fā)射出l0億束波束。因而可以說，該新型系統(tǒng)理論上可提供全方位的覆蓋。

目前“捷變鏡”仍處于基本研制階段，已利用現(xiàn)有模型完成了樣機(jī)鑒定。假如“捷變鏡”計劃的雷達(dá)系統(tǒng)裝備在戰(zhàn)斗機(jī)上，就可大大地減輕飛機(jī)的重量，使飛機(jī)能采用性能更為先進(jìn)的制導(dǎo)系統(tǒng)、航空電子設(shè)備及新型隱身材料等。

4 澳大利亞研制的等離子體天線

澳大利亞國立大學(xué)已研制成一種單極表面波驅(qū)動的等離子體隱身天線（如圖4所示），在戰(zhàn)場等特殊作戰(zhàn)環(huán)境下，它具有不易被敵方雷達(dá)探測到的優(yōu)點(diǎn)。該等離子體天線與常規(guī)天線相比，節(jié)省了大量的金屬材料。其外觀有點(diǎn)像長形日光燈管，管內(nèi)密封裝有惰性氣體。管狀外殼用耐沖擊性玻璃等介質(zhì)制成，它的底部裝有一個金屬電極。

等離子體表面波的傳播類似于波在金屬天線振子上的傳播，因此等離子體柱像金屬棒一樣可以用來作為天線振子。澳大利亞國立大學(xué)已經(jīng)擁有一項(xiàng)相應(yīng)的等離子體天線專利［12］，該專利是用于信息傳輸?shù)牡入x子體天線，天線的基本組成就是一個無電極的等離子體管和一個電源。電源產(chǎn)生一個有效電磁場導(dǎo)致管內(nèi)材料離子化，從而形成一個發(fā)射／接收天線。

澳大利亞一些單位還進(jìn)行等離子體天線在通信、雷達(dá)系統(tǒng)等方面的應(yīng)用研究。最近進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，用等離子體天線發(fā)射HF和VHF信號可獲得良好的效果，可預(yù)先設(shè)定輻射方向圖，基帶噪聲亦不高。

此外，澳大利亞Canberra大學(xué)在澳洲核科學(xué)與工程研究所（AINSE）和澳洲研究委員會（ARC）的資助下也開展了等離子體天線的理論和實(shí)驗(yàn)研究工作。研究主要對象是頻率在500MHz以下的通信天線。對等離子體天線的激勵方法和輻射效率、等離子體的導(dǎo)電特性和噪聲及其對天線輻射性能的影響進(jìn)行了深入細(xì)致的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。這些研究工作展示了等離子體天線在散射控制方面良好的發(fā)展?jié)摿Γ?3］。

5 法國的全隱身等離子體雷達(dá)天線

法國航空航天研究院研制成全隱身的等離子體雷達(dá)天線，它較常規(guī)雷達(dá)天線在性能及分辨率上有較大的提高。該雷達(dá)天線用等離子體平面天線替代傳統(tǒng)的平板式和拋物線天線。圖5示出全隱身的等離子體雷達(dá)天線工作機(jī)理示意圖。在一個高及直徑皆為30cm的有機(jī)玻璃圓筒內(nèi)充以氮?dú)?，頂部設(shè)有一個線性空心陰極，底部裝有一個金屬陽極，借助電容器放電便可產(chǎn)生出等離子體平面。

圓筒內(nèi)等離子體平面的性能取決于雷達(dá)的頻帶，可借助線圈的磁場控制等離子體平面的厚度，約170高斯的磁場可得到厚26mm厚的等離子體平面；50高斯的磁場則可獲得厚50mm的等離子體平面。此種等離子體平面反射器開辟了提高雷達(dá)天線性能并采用新穎工作機(jī)理的新途徑。雷達(dá)啟動10μs內(nèi)便可形成等離子體平面天線，它較常規(guī)的二極管移相器式平板天線的開關(guān)速度快得多。

目前，等離子體雷達(dá)天線的最佳工作范圍在815GHz，并還可擴(kuò)展至更寬的頻段，在分米波上可向更長波長擴(kuò)展，在毫米波上則可擴(kuò)展至100GHz，此時的電子密度可達(dá)到最大。

采用單基地雷達(dá)時，等離子體雷達(dá)天線的發(fā)射和接收距離約為300km。據(jù)該研究院測量人員透露，對于較短的脈沖，采用多基地雷達(dá)時，亦可采用此種等離子體平面天線，且接收器無需定向，因等離子體平面反射器皆編有電磁波發(fā)射方向的編碼。

此種等離子體平面天線率先應(yīng)用于反導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的警戒與跟蹤雷達(dá)。法國海軍則將其用于對遠(yuǎn)程超音速反艦導(dǎo)彈的防御。從目前展示的等離子體隱身天線來看，其結(jié)構(gòu)已相當(dāng)緊湊，下一步的工作將對等離子體平面發(fā)射器在方位角和俯仰角掃描上用電子裝置替代現(xiàn)用的磁線圈，屆時天線的結(jié)構(gòu)將更為緊湊，不僅可將其用于遠(yuǎn)程探測及監(jiān)視飛機(jī)上，而且還可用于小型軍用飛機(jī)上。

6 俄羅斯等離子體技術(shù)研究與應(yīng)用概況

俄羅斯克爾德什研究中心研制成新型飛機(jī)等離子體隱身技術(shù)，該項(xiàng)新技術(shù)在無需改變飛機(jī)外形結(jié)構(gòu)情況下，可使飛機(jī)被雷達(dá)探測到的概率降低99％以上，幾乎接近于零，達(dá)到全隱身之設(shè)計目的。該技術(shù)的工作機(jī)理完全不同于美國“降低目標(biāo)識別特征”的隱身技術(shù)，能確保受保護(hù)目標(biāo)的隱身，而且成本低廉。新型隱身技術(shù)是在飛機(jī)周圍形成一種特殊的等離子體云層，無需改變飛機(jī)等裝備的外形設(shè)計，不影響飛行性能，甚至還可降低30％以上的飛行阻力。

據(jù)報道（編者注：媒體報道的可信度請讀者斟酌），1999年初，俄羅斯的克爾德什研究中心就已開發(fā)出第一代和第二代等離子體發(fā)生器，并在飛機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)獲得了成功。據(jù)悉，其第一代產(chǎn)品是等離子體發(fā)生片，其厚度為0.50.7mm將該發(fā)生片貼于飛機(jī)的強(qiáng)散射部位，電離空氣即可產(chǎn)生等離子體。第二代產(chǎn)品是等離子體發(fā)生器，在等離子體發(fā)生器中加入易電離氣體，經(jīng)過“脈沖電暈”，氣體由高溫轉(zhuǎn)為低溫，即可產(chǎn)生等離子體云層。經(jīng)飛行試驗(yàn)證明，它不僅能減弱雷達(dá)的反射信號，還能通過改變發(fā)射信號頻率實(shí)現(xiàn)隱身。

該研究中心目前正根據(jù)新的物理機(jī)理，研制第三代更為有效的隱身裝置。據(jù)透露，第三代隱身裝置可利用飛行器周圍的靜電能量來減少飛行器的雷達(dá)截面積。據(jù)稱，可與美國F—22戰(zhàn)斗機(jī)相抗衡的俄制“米格1.44”（亦稱MF—1）戰(zhàn)斗機(jī)采用了該新型隱身裝置?，F(xiàn)有的第一代和第二代隱身裝置已被列為獲準(zhǔn)出口的俄制防御產(chǎn)品項(xiàng)目之中。

另外，俄羅斯最近推出一種采用等離子體武器攔截導(dǎo)彈的新方法。該法主要特點(diǎn)是改變飛行體的飛行狀況，即利用相互交叉的強(qiáng)功率電磁能束或光束改變導(dǎo)彈的飛行環(huán)境，使飛行中的導(dǎo)彈偏離方向而失去戰(zhàn)斗作用。等離子體武器是指利用裝在地面的等離子體發(fā)生器和天線發(fā)射出超高頻電磁能束或激光束在大氣中聚焦，并形成高電離化空氣云層，即等離子體云團(tuán)，其密度及電離度較大氣電離層高出1～10萬倍。此種等離子體團(tuán)可投射至目標(biāo)的前方及兩側(cè)，宛如給目標(biāo)來一個“電磁絆腳”，使之產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，偏離預(yù)定的飛行軌道，并在巨大的超重壓差及慣性的影響下自行毀壞，整個攔截過程僅需1／10s的時間。

據(jù)報道，俄羅斯已研制成試驗(yàn)型等離子體武器，它由超高頻電磁波發(fā)生器、定向天線、強(qiáng)功率電源及控制系統(tǒng)組成，采用集裝箱式模塊結(jié)構(gòu)。該套試驗(yàn)裝置曾成功擊落了炮彈。據(jù)透露，實(shí)用化的等離子體武器將由上述各系統(tǒng)模塊組成，各模塊皆能振蕩輸出以光速傳播的超強(qiáng)功率（數(shù)十億瓦）微波束。探測目標(biāo)的雷達(dá)系統(tǒng)與產(chǎn)生等離子體云團(tuán)的電磁波束發(fā)射系統(tǒng)合二為一，它集搜索、探測及打擊目標(biāo)等功能于一體，無需耗費(fèi)時間去識別目標(biāo)的真假或測定目標(biāo)的方位，僅需探測出目標(biāo)便可將其擊落。等離子體武器將極大地提高俄羅斯現(xiàn)有的莫斯科反導(dǎo)防御系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能。

7 國內(nèi)研制概況

我國也開始了等離子體探索性研究工作。2002年，我國把等離子體隱身技術(shù)研究列為國家重大基礎(chǔ)研究和國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目的研究內(nèi)容之一。

大連海事大學(xué)環(huán)境工程研究所開展了用于飛行器的強(qiáng)電離非平衡等離子體隱身方法研究［14］，著重研究了等離子體臨界電子密度、電子等離子體頻率等參數(shù)對電磁波的折射、吸收、反射的影響。采用了強(qiáng)電場電離放電方法，在放電間隙內(nèi)產(chǎn)生高密度、高能量的電子，它足以電離氮、氧等氣體，在飛行器表面形成具有一定梯度的高密度等離子體層，能夠吸收、折射電磁波，衰減雷達(dá)散射面積達(dá)千余倍。該等離子體器件是一個很薄的組合件，僅有百余克重，可貼附在電磁波強(qiáng)散射部位和進(jìn)氣道壁上。此方法具有吸收頻帶寬、吸收率高等特點(diǎn)，有望成為機(jī)載微型等離子體產(chǎn)生器件。

電子科技大學(xué)高能電子所在國家自然科學(xué)基金資助下，開展了微波等離子體應(yīng)用基礎(chǔ)研究設(shè)備的研究，已研制成多功能、多用途、計算機(jī)控制的大型微波等離子體應(yīng)用與診斷設(shè)備。適用于非平衡等離子體的復(fù)合診斷，未開展微波等離子體的生成機(jī)理，微波等離子體與物質(zhì)相互作用機(jī)理的深入研究等提供了極為重要的手段［15］。

利用開放式諧振腔理論，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的需要，對微波等離子體系統(tǒng)中開放式微波反應(yīng)腔進(jìn)行了研究［16］，計算和分析了等離子體密度和等離子體碰撞頻率對腔中微波場幅值、相位和反射系數(shù)的影響。數(shù)值計算結(jié)果表明，在一定的等離子體密度下，隨著等離子體碰撞頻率的提高，等離子體對微波場的吸收增大，此種開放式的結(jié)構(gòu)可有效地在腔中形成有利于微波等離子體產(chǎn)生的駐波場。

信息工程大學(xué)在國家863計劃項(xiàng)目資助下，正在研究等離子體有源透鏡天線［17］。所謂等離子體有源天線，是基于大氣擊穿理論，利用多波束合成技術(shù)，控制地面HPM陣列在空間形成特定結(jié)構(gòu)形狀的大氣電離云，使其具有許多類似天線的特性和功能。

等離子體有源透鏡天線的工作原理是利用足夠高的HPM 泵波能與大氣的非線性作用，在開放大氣環(huán)境中的特定區(qū)域聚焦，使聚焦區(qū)域大氣受激發(fā)產(chǎn)生高強(qiáng)度的電離反應(yīng)，并形成相對穩(wěn)定的具有特定結(jié)構(gòu)和形狀的等離子體，構(gòu)成透鏡天線。

在大氣電離云成形的過程中，高功率微波能是產(chǎn)生和維持穩(wěn)定電離云的能量來源，而大氣中的自由電子在電離云成形過程中扮演著催化劑的功能，在電離云穩(wěn)定成形后則起著換能器的作用，即將泵波能轉(zhuǎn)換成被聚束微波能，所以稱之為有源天線。

研究者提出了一種以HPM為能源的等離子體有源透鏡天線，探討了其工作特性及其應(yīng)用。它根據(jù)需要可以聚束HPM工作波，也可以將外來入侵HPM波聚束后發(fā)送回原處。另外，實(shí)際上它也可形成空間有源濾波等器件。這種天線與傳統(tǒng)的有源天線相比具有的重大差別有：它強(qiáng)烈地依賴于泵波HPM泵源；由于處于空間，且成形裝置無須移動，天線的大小和形狀一般不受限制；成形快、存在時間短、機(jī)動性強(qiáng)；形成大型高增益面天線更為方便。

從現(xiàn)有的公開資料來看，等離子體天線技術(shù)已引起國內(nèi)電子對抗、飛行器隱身、雷達(dá)和天線設(shè)計等行業(yè)專家的廣泛關(guān)注，重點(diǎn)在等離子體天線的隱身應(yīng)用方面。以介紹國外等離子體天線技術(shù)的理論與實(shí)驗(yàn)研究、跟蹤國外發(fā)展與應(yīng)用狀況和可行性分析方面的較多。

8 國外等離子體天線專利技術(shù)

從上述的發(fā)展概況可以看出，世界上不少大公司都在研究和開發(fā)等離子體天線，有的已進(jìn)入實(shí)用階段，申請了專利。這里介紹一些具有代表性的等離子體天線專利，括號內(nèi)為專利擁有者：

?多管等離子體天線［4］（美國海軍管理局）。這是一種寬頻帶、結(jié)構(gòu)緊湊的高頻或超高頻通信用等離子體天線。利用離子化氣體或者等離子體傳播高頻或超高頻電磁信號，向電極加壓使氣體離子化，等離子體被制約在非金屬壓力容器內(nèi)的非金屬同軸管內(nèi)，用電場梯度改變等離子體的形狀和密度，從而影響天線的增益和方向性。等離子體內(nèi)管用作輻射源，外管用于改變內(nèi)管的輻射并反射輻射的信號，用儀器測量等離子體的密度，提供測量入射信號的方法并調(diào)節(jié)輻射頻率；

?利用反向光子束產(chǎn)生電流的等離子體天線（美國海軍管理局）。一種帶等離子體柱的等離子體天線，可用于低頻和超低頻通信。激光器以交替、反向方式發(fā)射激光束穿過等離子體。當(dāng)激光器被啟動時，其激光束產(chǎn)生光電碰撞，將動能傳遞給等離子體中的電子。激光器交替工作在等離子體中產(chǎn)生交替電流，由此輻射電磁場；

?采用等離子體反射器的駐波等離子體天線（美國海軍管理局）。該發(fā)明適用于水下寬頻通信。電離器在一個沿垂直軸伸長的等離子體柱中產(chǎn)生離子化波束，調(diào)制信號被施加到一個光電晶體上用于調(diào)制離子化波束，變化的結(jié)果是形成等離子體梯度，使離子和電子在一個垂直通道內(nèi)振蕩，從而形成含調(diào)制頻率的振蕩電流。這些電流產(chǎn)生一個幅度、相位和頻率經(jīng)過調(diào)制的電磁場從等離子體柱中輻射出去；

?可重構(gòu)的等離子體天線（美國ASI技術(shù)公司）［3］。該發(fā)明是一種完全可重構(gòu)的等離子體天線，包含實(shí)現(xiàn)等離子體天線和重構(gòu)等離子體天線輻射方向圖的方法。該天線的主要組成是：一個封閉室；封閉室內(nèi)包含一個可產(chǎn)生等離子體的裝置；至少有三個與該裝置連接的激發(fā)點(diǎn)用于產(chǎn)生電磁波；耦合到三個激發(fā)點(diǎn)上的一個能源在封閉室內(nèi)至少產(chǎn)生一條等離子體傳導(dǎo)通路。改進(jìn)后的機(jī)構(gòu)可用于重構(gòu)傳導(dǎo)路徑；

?等離子體控制的天線（美國Raytheon公司）。是一種改進(jìn)型等離子體控制的毫米波或微波掃描天線。一個電子等離子區(qū)和通路被光照到一個光導(dǎo)晶片上。利用等離子體的特殊分布和鏡片后的一個反射面就可在低光強(qiáng)度下形成天線，在選擇的毫米波/微波上施加了180°相移；

?固體等離子體天線（英國人Harper，R.E.申請的美國專利）。這是一種高頻通信用（例如1GHz）的固體電控天線。在一塊半導(dǎo)體材料片上產(chǎn)生局部等離子體區(qū)域就形成一個固體電控天線。在這一等離子體區(qū)域可以射入載波，或者產(chǎn)生載波。該專利還介紹了所用半導(dǎo)體材料片（硅晶片）的制作方法；

?等離子體天線（澳大利亞國立大學(xué)）。該發(fā)明為一種表面波驅(qū)動的等離子體隱身天線。前文已作介紹。

另外，美國Malibu研究所申請了一種等離子體相控陣電子掃描天線。Waveband技術(shù)公司申請了采用等離子體柵的天線。

9 結(jié) 束 語

等離子體的神奇功能，尤其是它顯而易見的軍事應(yīng)用潛力實(shí)際上很早就受到了世界軍事強(qiáng)國的關(guān)注，有權(quán)威人士稱，軍事領(lǐng)域下一個高技術(shù)制高點(diǎn)就是等離子體技術(shù)。

等離子體天線是對傳統(tǒng)天線結(jié)構(gòu)的更新，它拓展了等離子體的科學(xué)吸引力和工程應(yīng)用能力，并且因?yàn)榈入x子體獨(dú)特的物理性質(zhì)，在解決天線互耦和隱身方面具有難以估量的發(fā)展?jié)摿Γ钱?dāng)今天線技術(shù)的一大進(jìn)步，終將體現(xiàn)出其頑強(qiáng)的生命力。